一、名詞解釋
測量不確定度:表徵合理地賦予被測量之值的分散性,與測量結果相聯繫的參數。
測量結果:被測量之值的最佳估計,是指對觀測結果或測得值進行切當處理、修正或經過必要計算而得到的量值或報告值。
測量不確定度作用:確定測量結果可被信賴的程度,即測量結果的質量。不確定度越小,所述結果與被測量的真值愈接近,質量越高,水平越高,其使用價值越高;不確定度越大,測量結果的質量越低,水平越低,其使用價值也越低。
二、測量不確定度的表示
測量不確定度用於定量表示測量結果的可靠程度,是「說明了置信水準的區間的半寬度」。就是說,測量不確定度需要用兩個數來表示:一個是不確定度的大小,即置信區間;另一個是置信概率(或置信水準、置信水平、置信係數),表明測量結果落在該區間有多大的把握。
舉例:測量作者胡崴麒的身高為160㎝,或許多了2㎝或許少了2㎝,置信概率為99%。那麼該測量結果可以表示為:160㎝±2㎝,置信概率為99%
理解上述測量結果:胡崴麒的身高有99%的把握,在158㎝到162㎝之間。對於測量而言,沒有給定置信概率的不確定度是不完整的。
三、測量不確定度在符合性判斷中的應用
測量不確定度應用於諸多領域,以其在符合性判斷中的應用為例,當數值處於規定的上、下限附近並要求作出符合性判斷時,通過對不確定度的評定不僅可以定量地表示出測量水平的高低,而且可以降低誤判的風險。下圖表示了測量不確定度在符合性判斷中的應用,下表列出了測量結果合格與否的可能情況。
其中:
、、、為合格;
、為合格>不合格;
、為不合格>合格;
、、、為不合格。
四、測量不確定度的構成和分類
五、標準不確定度
標準不確定度定義為「以標準偏差表示的測量不確定度」。在統計技術中,標準偏差用小寫斜體英文字母s表示。標準不確定度用小寫斜體英文字母u表示。
測量不確定度由多個分量組成。其中的一些分量可用測量列結果的統計分布估算,並用實驗標準偏差表徵,這種評定方法稱之為標準不確定度的A類評定方法。另一類分量可用基於經驗或其他信息的假定概率分布估算,也可用標準偏差表徵,這種評定方法稱之為B類評定方法。
不確定度的A類評定
不確定度的A類評定定義為「用對觀測列進行統計分析的方法,來評定標準不確定度」。
不確定度的A類評定所得到的標準不確定度分量成為A類不確定度分量,用符號uA表示。
也可以用相對不確定度uArel=uA(x)/|X|,(x≠0)表示,x是被測量X的最佳估計值。
不確定度的B類評定
不確定度的B類評定定義為「用不同於觀測列進行統計分析的方法,來評定標準不確定度」。
不確定度的B類評定所得到的標準不確定度分量成為B類不確定度分量,用符號uB表示。
也可以用相對不確定度uBrel=uA(x)/|X|,(x≠0)表示,x是被測量X的最佳估計值。
六、合成標準不確定度
合成標準不確定度定義為「當測量結果是由若干個其他量的值求得時,按其他各量的方差或(和)協方差算得的標準不確定度」。
合成標準不確定度是測量結果標準差的估計值,用符號uC表示。
也可以用相對不確定度uCrel=uA(y)/|Y|,(y≠0)表示,y是被測量Y的最佳估計值。
方差是標準偏差的平方,協方差是由相關性導致的方差。
當兩個被測量的估計值具有相同的不確定度來源,特別是受到相同的系統誤差效應的影響時(如使用了同一臺測量儀器),兩者之間就存在相關性。如果改變其中一個量,使得兩個量的變化方向相同(同時增大或同時減小)成為正相關;如果兩個量的變化方向相反(一個增大另一個就減小),則成為負相關,由這種相關性所導致的方差稱為協方差。
可以通過改變測量程序或通過變量的變換來消除相關性。
七、擴展不確定度
在實際工作中,往往需要知道測量結果的置信區間。因此規定不確定度可以用諸如標準偏差或其倍數或者說明了置信概率的區間的半寬度來表示。
舉例:如果使用兩倍標準偏差表示服從正態分布的測量結果的不確定度,其置信概率約為95%,用三倍標準偏差表示的測量不確定度,其置信概率約為99%。
究竟用多少倍標準偏差來表示測量結果的不確定度,應根據要求的置信概率來合理地賦予。
擴展不確定度定義為「確定測量結果區間的量,合理賦予被測量之值分布的大部分可能包含此區間」,實際擴展不確定度是用合成標準不確定度的倍數表示的不確定度,通常用大寫斜體英文字母U表示。
也可以用相對不確定度Urel=U/|Y| (y≠0),y是被測量Y的測量結果。
舉例:某被測量X的測量結果x的擴展不確定度U=2uc,則表明置信區間為(x-2uc,x+2uc),測量結果x以大約95%的置信概率落在該區間內。如果測量結果x的擴展不確定度U=3uc,則表明置信區間為(x-3uc,x+3uc),測量結果x以大約99%的置信概率落在該區間內。
八、包含因子
包含因子定義為「為求得擴展不確定度,對合成不確定度所乘之數字因子」。
包含因子等於擴展不確定度與標準不確定度之比,其取值決定於擴展不確定度的置信概率。
結語:以上為測量不確定度的基礎知識,主要講解了測量不確定度的定義、表示、在符合性判斷中的應用、構成和分類五個方面。由於網頁編輯功能限制,斜體表示的符號和word編輯的公式無法導入,最終只能用不正確的字母表示和簡易公式代替,後續也會尋求更適合網頁展示的輸入方式,希望大家諒解。下次更多會針對測量不確定度的來源、測量誤差與側來那個不確定度的主要區別進行講解,個人理解,這兩篇是學習和使用測量不確定度的基礎,概念一定要理解,不然後續案例分享中會出現混亂和混淆。